Descripción y funcionamiento:
Introducción
DEFINICIÓN: Infrarrojo
La radiación infrarroja o
radiación térmica es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de
onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Consecuentemente,
tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas.
El nombre de infrarrojo, que
significa "por debajo del rojo", proviene de que fue observada por
primera vez al dividir la luz solar en diferentes colores por medio de un
prisma que separaba la luz en su espectro de manera que a ambos extremos aparecen
visibles las componentes del rojo al violeta (en ambos extremos). Aunque estas
experiencias habían sido realizadas anteriormente por Isaac Newton, William
Herschel observó en el año 1800 que se recibía radiación debajo del rojo al
situar medidores de calor en las diferentes zonas no visiblemente irradiadas
por el espectro.
Su longitud de onda, entre
700 nanómetros y un milímetro, es la siguiente en longitud al rojo, el color de
longitud de onda más larga de la luz visible.
Un robot es un sistema
electrónico móvil que, si no es totalmente autónomo, y/o si funciona en común
con otros sistemas o con personas, necesitará implementar un intercambio de
datos y/o comandos.
Hay que pensar entonces en
las comunicaciones que este sistema necesita establecer con el exterior. Puede
ser con una computadora con la que comparte su "inteligencia", o con
otros robots, si es que va a moverse en una interacción orquestada. Está también
la posibilidad de que el robot necesite intercomunicarse con otros circuitos,
como ser instalaciones fijas que le agreguen capacidades (un caso concreto, en
el fútbol robótico, es la computadora central, que a su vez está conectada con
un sistema de cámara aérea de video que controla los movimientos del equipo y
de los contrarios), centrales de carga de energía, sistemas de balizas para el
posicionamiento. Por último está la posible relación del robot con un humano.
Al hablar de comunicación
inalámbrica lo primero que se piensa es en señales de radio. Sin embargo,
olvidamos que nos comunicamos habitualmente con equipos electrónicos utilizando
una tecnología que se ha vuelto muy común, extremadamente sofisticada y eficaz:
las comunicaciones mediante infrarrojos. Cuando se opera un control remoto, lo
que uno hace es comunicarse por medio de luz en la gama de los infrarrojos.
Un enlace de este tipo puede
servir, por ejemplo, para enviar datos al robot desde sensores, establecer y
detectar balizas en el entorno, comunicar varios robots entre sí, o para que
una persona dé órdenes utilizando un aparato convencional de control remoto
(como el de su TV).
Se pueden usar infrarrojos
para la detección de obstáculos, tema que desarrollamos en la sección Sensores
reflectivos. Prácticamente con los mismos elementos que se usan para la
comunicación, aunque con una distribución física distinta, es posible hacer
rebotar sobre un obstáculo la emisión de una señal infrarroja codificada tal
como en los controles remotos y detectarla cuando llega de regreso al robot,
con lo cual, en lugar de comunicación tenemos un sistema para la detección de
obstáculos. Esta tarea se ha eficientizado al máximo en dispositivos como los
GP2D02, GP2D05, GP2D12, etc., de Sharp, que utilizan infrarrojos para medir la
distancia a la que se encuentran los objetos dentro de un determinado rango.
Enlaces
infrarrojos en la práctica:
El enlace se divide,
obviamente, en una sección de emisión y otra de recepción. Los elementos
utilizados en los emisores son LEDs especializados, y en ese caso lo más
importante es elegirlos bien en base a su potencia de emisión, tipo de
lentilla, consumo de energía y frecuencia de operación. Una opción práctica es
utilizar un control remoto "universal" como los que se venden en la
actualidad a un precio bastante bajo.
La parte de la recepción de
la señal infrarroja es la más crítica.
Lo delicado del sistema está
en el receptor. Debe ser capaz de separar la señal real de otras radiaciones de
infrarrojo, como la de la luz del sol, e incluso la de algunos equipos de
iluminación incandescente, y de fuentes de calor en general. Como la señal la
emitimos desde el robot, y a pesar de que utilicemos los elementos más
sofisticados y de mayor potencia la energía emitida no será muy grande, los
receptores deben ser bien sensibles. Y entonces el problema que se presenta es
que pueden ser "cegados" por radiaciones naturales como la de la luz
del día, por dar un ejemplo.
Los dispositivos disponibles
en el comercio, que son los que se utilizan en los equipos con control remoto,
están diseñados especialmente para este uso. Estos sensores tienen señales de
salida fácilmente adaptables a los microcontroladores, así que son fáciles de
conectar. La parte óptica —lentilla y filtro— también está solucionada.
Receptores
de infrarrojos:
Los receptores de
infrarrojos codificados integran en un chip el elemento sensible al infrarrojo,
una lente, un filtro de espectro y toda la lógica necesaria para distinguir
señales moduladas a una determinada frecuencia. Receptor de infrarrojos
IRM8601S
El receptor está disponible
en una cápsula similar a los transistores TIP y, como los transistores, también
tiene tres patas. Existe también una cápsula con cobertura metálica. La
conexión es muy simple: una de las patas es la alimentación de 5V, la otra la
señal de salida y la tercera es el común o tierra.
Diagrama
lógico del IRM8601S
Circuito
de aplicación del IRM8601S
Versión
metálica del IRM8601S
La hoja de datos lista las
siguientes características:
Ø Inmunidad
contra interferencias electromagnéticas.
Ø Disponible
en cápsula metálica.
Ø Lente
elíptico que mejora la recepción
Ø Bajo
voltaje y bajo consumo
Ø Alta
inmunidad a la luz ambiente
Ø Fotodiodo
con circuito integrado
Ø Compatible
con TTL y CMOS
Ø Recepción
a larga distancia
Ø Elevada
sensibilidad
Ø Otros
receptores de tipo similar:
Ø Vishay TSOP 1738
Ø Vishay TSOP 1838
Ø Vishay TSOP 11.. series
Ø Siemens
SFH 506 (discontinuado)
Ø Siemens
SFH 5110 (sucesor del SFH 506)
Ø Radio Shack 276-0137
Ø Everlight IRM 8100-3-M (Radio Shack part no.
276-0137B)
Ø Mitsumi IR Preamp KEY-COOSV (0924G)
Ø TOSHIBA TK19 444 TFMS 5360
Ø TEMIC TFMS 5380 Por Telefunken Semiconductors
Ø Sharp IS1U60 (Disponible como RS)
Ø Sony SBX 1620-12
Ø Sharp GP1U271R
Ø Kodenshi PIC-12043S
Ø Daewoo
DHR-38 C 28
Emisores
de infrarrojo:
La otra parte del sistema,
la emisión, se puede solucionar con un control remoto universal. Los receptores
como el que describimos están ajustados para estos emisores de infrarrojos para
electrodomésticos, así que quizás no sea muy práctico complicarse con otros
circuitos. Una de las maneras más directas será utilizar el mando para enviar
órdenes al robot. La otra sería "hackear" el control remoto y
utilizar su plaqueta para nuestro emisor, conectando el robot con el teclado.
Si de todos modos se desea
implementar un circuito, se puede utilizar, por ejemplo, el integrado
codificador HT12E (en Cika cuesta us$ 0,72), que codifica 12 entradas (8 de
dirección y 4 de datos, o comandos) en una señal en serie (para decodificarlas
se utilizaría su hermanito, el HT12D; en Cika cuesta us$ 0,81). El circuito a
utilizar es:
Circuito de aplicación del
HT12A
Circuito de un receptor con
HT12D
Estudiando el formato de las
señales del estándar que utilizan los controles remotos (o mando a distancia,
como se les llama en algunos lugares), se puede crear la señal por programa, en
un micro controlador.
MCP2120
: Codificador / Decodificador de infrarrojo
Permite realizar una
conversión entre los datos de una UART (Universal asynchronous receiver
transmitter = Receptor Transmisor Asincrónico Universal) y la codificación
IrDA, que es uno de los formatos de datos de los controles remotos de
infrarrojos.
Los datos de una UART
estándar (dentro de un microcontrolador, por ejemplo) se ingresan a este chip y
se convierten en pulsos para enviar a un emisor de infrarrojos. Los datos
recibidos por un receptor de infrarrojos como el que describimos antes se
ingresa a este integrado y son convertidos a datos para una UART estándar. La
velocidad de transferencia (baud rate) se define con unas entradas del chip, que
permiten seleccionar entre un amplio rango de velocidades (dependiendo también
de la frecuencia de reloj que se aplica al circuito). Por ejemplo, con un reloj
de 14,7456 MHz se obtienen velocidades de 19.200, 38.400, 78.600, 115.200 y
230.400 baudios. Este último sería el valor máximo de velocidad que se puede
alcanzar.
Circuito de aplicación del
MCP2120 (La entrada MODO permite seleccionar un modo de prueba en el que los
datos son retornados al microcontrolador)
Módulos de transceptor para
enlace infrarrojo
Se puede contar con unos
módulos ya armados que permiten una comunicación bidireccional por infrarrojos.
Son unas pequeñas plaquetitas, cosa que se observa en la imagen, aunque las
medidas no las encontré. Se pueden ver los datos de estos módulos aquí. Por lo
que se lee en los datos de venta, trabajan con el estándar RC-5 de Philips para
control remoto.
Juego de módulos
bidireccionales de comunicación IR
